園區能源互聯網平臺設計與研究

于 博 濤

(大同市重點工程建設服務中心，山西 大同 037003)

1 設計背景

項目主要包括科研中心、學術中心、主試驗樓、控制樓、氣源間、備料間、各類輔助試驗樓和專家公寓、食堂等配套設施。考慮到供能技術發展趨勢，本項目能源供應遵循“能從身邊取，不從遠處來；分布式能源與大電網形成相互支撐；提高可再生能源接入”的原則，項目供能規劃方案見圖1。

項目將建設如下能源互聯網配套設施：

利用屋頂建設光伏500 kW，就近消納；太陽能熱水器154T/d，熱水收集至換熱站。

地源熱泵：容量1 484 kW，布置于草坪，占地4 930 m2，熱水收集至換熱站。

停車場：建設一體化停車場，布置充電樁20個，1個120 kW大型充電樁，19個60 kW小型充電樁；車棚布置分布式光伏75 kW。

換熱站：布置相變儲熱16.5 MWh，電鍋爐2.9 MW。

配電室：配置容量33 MW，鋰電池5 MWh。

為了實現對上述能源供應系統及企業用能情況做到實時監測，便于企業了解設備運行情況及對潛在的故障能夠及時預警并處理，該項目需要配套建設一套能源互聯網智慧管控平臺。

2 設計建模

通過對項目基本資料的梳理和客戶需求的分析，建立了如圖2所示的智慧管控平臺業務需求模型。

該模型以各類能源(配電室、光伏、儲能、余熱回收機組等)及企業負荷數據為基礎，通過采集各個系統運行關鍵測量量，為客戶提供設備狀態監視、多源協調優化，保證快速處理設備故障及潛在缺陷，以提高設備使用效率，最終實現零碳模式。

本項目存在著諸如分布式光伏、相變儲熱、電動汽車等可調節資源，可以通過能源價格的時空價差，參與電力服務等增值服務。隨著電力改革的深入，隔墻售電和電力輔助服務將會成為未來能源市場交易重要模式之一，為了支持這一商業模式，本系統還提供交易管理和需求響應等高級功能，為企業實現能源購銷和提供增值服務打下技術積淀，在提高客戶收益的同時，為未來的能源市場奠定雄厚的技術及商業模式儲備。

3 系統架構及平臺特點

3.1 系統架構

通過部署在不同區域的通訊管理機實現對不同子系統的實時運行數據的采集，并通過以太網實現數據上傳給綜合能源管控平臺，平臺前置通訊服務器實現所有數據的匯集、解析及內部功能模塊數據分發工作。

系統主站側部署數據服務、應用服務、WEB服務及操作員站以實現客戶不同業務功能需要，并滿足不同系統間數據交互等實際需要。本方案主站硬件配置及網絡結構如圖3所示。

3.2 平臺特點

系統采用功能分層模塊化開發的設計理念，將系統整體劃分為數據傳感層、采集傳輸層、功能主站層。使系統具備了最大程度的靈活度，從而能對業務需求的變化作出快速的反應，同時保證系統的靈活部署屬性，保證系統具有很好的擴展性，滿足能源互聯網業務發展需要。

系統采用主動配電網互動行為辨識技術、分布式能源與主動負荷的綜合互補優化配置技術、基于能源互聯網的“網源荷儲”的智能模態切換、柔性負荷自動需求響應以及新能源梯級調用的核心技術，實現對園區能源互聯網的態勢感知及優化協調運行控制，為客戶提供高分布式能源消納情況下區域微電網電能質量優化、系統安全經濟運行提供最優運行方案，提升能源安全及經濟效益。

系統提供基于移動終端及PC客戶端等方式為用戶提供訪問服務，為園區不同用戶掌握能源使用情況提供能源監測、經濟效益、能耗水平等方面評估測算服務，為用戶提供定制化訪問界面，提升客戶用能互動水平。

數據采集設備采用工業級無風扇嵌入式通訊機，實現串口設備到以太網的自動化信息采集和通訊協議轉換，通訊接口類型豐富，接口數量可選，接口程序覆蓋電力/工控等常用協議，支持遠程調試維護。

4 能源互聯網規劃

能源互聯網規劃主要功能如圖4所示。

4.1 能源需求預測及特性模擬

能源需求預測及特性模擬是能源互聯網規劃的基礎，決定能源互聯網規劃成敗。主要包括總量預測和負荷特性模擬。

城市CAD格式用地性質圖中自動讀取地塊面積指標。

總量預測：根據歷史負荷信息進行用電負荷的總量預測。

空間預測：根據冷、熱、電負荷指標和用地規模，實現冷、熱、電負荷需求的空間預測。

負荷特性模擬：根據最大負荷及各種負荷特性曲線，模擬并生成典型日冷、熱、電能源需求曲線，模擬并生成年內各月的冷、熱、電負荷需求曲線。

4.2 多種能源容量優化

利用冷熱電負荷水平及負荷特性、結合規劃人員經驗、輔助分析計算及財務評價等手段，進行“智慧”化容量優化。

“智慧”優化流程：

首先，根據各地能源資源及能源價格計算各項可行性技術單位量投資的經濟效益，為規劃人員提供決策依據。

然后，根據規劃人員經驗，結合負荷水平及負荷特性，初步設置各種能源容量規模。

第三步，根據負荷曲線及優化目標，自動生成多能源優化效果及分析計算與財務評價結果。

第四步，參考分析計算與財務評價結果，根據規劃人員經驗，手動修改能源配比，再進行第三步工作、形成閉環。

最后，比選出經濟效益與能源利用效率最優的容量優化方案。

5 能源互聯網物理模型建立

能源互聯網物理模型，實現AutoCAD繪圖、能源互聯網設備參數和建模、綜合分析與評估、投資概算及財務評價等功能一體化完成。解決能源互聯網規劃中CAD繪圖與數據分離的問題，解決規劃方案與分析評價脫節的問題。

從戰略的高度統籌解決水利信息化資源分散的問題。首先，完善“一張表”。制定全市水利統計數據表格，完善現有的水利基礎數據庫，出臺水利數據更新管理辦法，確保數源的唯一性和準確性。其次，健全“一張圖”。借助現有的GIS技術，做好天地圖、google圖的數據添加工作，在原有水利普查數據的基礎上，進一步整合水利各專題業務的數據信息，實現數據協同與共享。再次，建成“一套規范”。要加強規范建設，落實“統一標準”，從簡單到復雜，從核心數據庫到外圍應用開發，制定 《IP地址分配規定》《水利工程數據庫表結構與標識符規范》《水利系統信息交換單位名稱代碼規范》《水利綜合辦公業務系統與其他業務系統整合接口規約》等規范。

主要內容包括：

設備建模：新建電氣設備包括常規電網設備，包括電廠、交流線路、變電站、開閉所、電纜終端/桿塔等；以及能源互聯網規劃下電網設備，包括光伏、風電、冷熱電三聯供、電動汽車、相變儲能、電儲能、交流斷路器、水源熱泵、地源熱泵等；供冷、供熱設備，包括鍋爐、換熱站等。

網絡建模：包括電力網絡、熱力網絡。

轉模功能：用于將已有普通AutoCAD圖紙直接轉換成圖形與數據結合的圖模一體化模型。

數據交互功能：用于將Excel數據導入、導出，便于數據編輯和修改。

6 輔助分析計算與統計功能

基于AutoCAD模型進行輔助分析計算與統計，主要實現的功能包括：第一輔助計算便于決策，第二數據統計便于工程概算、財務評價等工作與報表生成，第三生成報表減少工作量。

主要內容包括：

1)分析計算功能：電氣計算(主要包括潮流計算、短路計算、N-1計算、功率因數計算、可靠性計算等)；冷熱計算(主要包括可靠性計算、損耗計算等)。

2)輔助分析計算與統計功能：按照各規劃年份與區域進行工程量統計，支撐工程概算；冷熱電氣等能源生產與消耗數據分時段統計，支撐財務評價。

3)分析計算結果、工程量、能源生產與消耗量等數據生成Excel報表。

6.1 負荷預測

負荷預測包括電負荷預測、冷負荷預測和熱負荷預測。

系統能夠根據歷史用電負荷數據以及天氣情況對未來幾小時到一天的用電負荷進行預測。

系統能夠根據實測室外溫度和天氣預報溫度對當前冷熱負荷進行計算，并對未來幾小時至一天內的冷熱負荷進行預測。

負荷預測的結果用于系統的優化控制及能量交易系統，也可以以負荷曲線的形式進行展示。

負荷預測的算法包括傳統時間序列法、回歸分析法以及各種人工智能方法，如神經網絡、專家系統等等。

6.2 發電預測

發電預測包括各種分布式發電的功率預測，包括屋頂光伏發電預測、車棚光伏發電預測、薄膜光伏發電預測、微風發電功率預測、風光互補路燈發電預測、地源熱泵冷/熱功率預測、空氣源熱泵冷/熱功率預測。

通過采集數值氣象預報數據、實時氣象站數據、實時輸出功率數據、逆變機組狀態等數據，通過人工神經網絡完成對各類分布式光伏的短期功率預測、超短期功率預測。

6.3 源—儲—荷聯動優化系統

系統根據當前時刻或預測冷熱電負荷、外來綠電電價、儲能設備運行狀態、各種分布式發電預測功率等系統狀態信息，以綜合能源效率或綜合能源運行成本為目標，通過綜合模型的優化計算確定系統內主要設備如地源熱泵、空氣源熱泵、儲能設備的運行參數以及外來綠電的購/售電量。

7 結語

本方案實現了對各種能源設備運行情況進行實時監測，對不同能源間實現協調優化運行，對不同能源運行情況進行統計分析及形成不同周期報表。通過對運行數據的不同維度的統計分析和對企業負荷中短期預測，形成不同能源的生產計劃安排、儲能工作模式和相關交易模式，為實現項目能源綜合利用率和系統可靠運行提供技術支持。